JP3288523B2 - Light spot position measuring device and light spot position measuring method - Google Patents
Light spot position measuring device and light spot position measuring methodInfo
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Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は直接的又は間接的に光を
発する1個又は複数個の点光源の位置を、撮像デバイス
を利用して測定する光点位置計測装置及び光点位置計測
方法に関する。より詳しくはかかる光点位置計測の高精
度化技術に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a light spot position measuring apparatus and a light spot position measuring method for measuring the position of one or a plurality of point light sources which emit light directly or indirectly using an image pickup device. About. More specifically, the present invention relates to a technique for improving the accuracy of such light spot position measurement.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来、例えば三次元物体の形状計測を行
なう場合、被測定物体に走査型レーザ投光器を用いてレ
ーザビームを照射し、物体上に生じるレーザスポットを
2台のテレビカメラで撮像するステレオ法が行なわれて
いる。各テレビカメラから出力される画像信号を演算処
理し各スポットの三次元位置を求める。被測定物体表面
に沿ったレーザスポットの走査と三次元座標の計測を同
期して逐次行なう事により、三次元物体の表面形状を測
定する。この様な計測システムにおいて測定精度を向上
する為には、テレビカメラの分解能を改善する必要があ
る。しかしながら、その為にはテレビカメラに組み込ま
れるCCDイメージセンサ等の撮像デバイスの画素数を
大幅に増大しなければならないが、これは製造技術上困
難である。2. Description of the Related Art Conventionally, for example, when measuring the shape of a three-dimensional object, the object to be measured is irradiated with a laser beam using a scanning laser projector, and a laser spot generated on the object is imaged by two television cameras. The stereo method has been implemented. An image signal output from each television camera is arithmetically processed to determine a three-dimensional position of each spot. The surface shape of the three-dimensional object is measured by sequentially performing scanning of the laser spot along the surface of the measured object and measurement of the three-dimensional coordinates in synchronization with each other. In order to improve the measurement accuracy in such a measurement system, it is necessary to improve the resolution of the television camera. However, for this purpose, the number of pixels of an imaging device such as a CCD image sensor incorporated in a television camera must be greatly increased, but this is difficult in terms of manufacturing technology.
【0003】撮像デバイスの画素数を増加させる事なく
見掛け上分解能を改善する為の技術が提案されており、
例えば特公平3−31362号公報に開示されている。
これによれば、テレビカメラの対物レンズにクロスフィ
ルタを取り付け、ターゲット光点からの光線をクロスフ
ィルタによってストリーク状の十文字像に変換し、撮像
デバイスの受光面に投影させている。この投影像を画像
処理し十文字像の交点をサブピクセル単位で算出して各
ターゲットを構成する点光源の位置を割り出すものであ
る。[0003] Techniques for improving apparent resolution without increasing the number of pixels of an imaging device have been proposed.
For example, this is disclosed in Japanese Patent Publication No. 3-31362.
According to this, a cross filter is attached to an objective lens of a television camera, a light beam from a target light point is converted into a streak cross-shaped image by the cross filter, and is projected on a light receiving surface of an imaging device. This projection image is image-processed, and the intersection of the cross-shaped image is calculated in sub-pixel units to determine the position of the point light source forming each target.
【0004】[0004]
【発明が解決しようとする課題】しかしながらこの様な
従来技術では、光点位置検出の精度を上げる為には、強
い光を発する光源を使用しなければならないという欠点
があった。クロスフィルタによって変換されたストリー
ク状の十文字像は主たる光のパワーが中心に集中してお
り、周辺に分散している光のパワーは微々たるものであ
る。この為光のパワーが有効に利用されていない。結果
的に、位置検出の精度を上げる為には光点から発する光
のパワーを強くせざるを得ない。換言すると、光点から
の光がある程度強くないとストリーク状の十文字像が鮮
明に投影されない為、感度が悪いという欠点がある。こ
の様な欠点故に、上述した三次元物体形状計測等におい
ては、テレビカメラから被測定物体までの距離的制約
や、物体表面の反射率等の制約が生じており、応用分野
が自ずと制限され例えば土木測量等への適用を困難なも
のにしていた。However, such a conventional technique has a disadvantage that a light source emitting strong light must be used in order to increase the accuracy of detecting the position of a light spot. In the cross-shaped streak image converted by the cross filter, the power of the main light is concentrated at the center, and the power of the light dispersed in the periphery is insignificant. For this reason, the light power is not used effectively. As a result, in order to improve the accuracy of position detection, the power of light emitted from the light spot must be increased. In other words, if the light from the light spot is not strong to some extent, the streak-shaped cross-shaped image cannot be projected clearly, resulting in a disadvantage that the sensitivity is poor. Due to such disadvantages, in the above-described three-dimensional object shape measurement and the like, there are restrictions on the distance from the television camera to the object to be measured and restrictions on the reflectance of the object surface, and the application field is naturally limited, for example, This has made application to civil engineering surveys difficult.
【0005】[0005]
【課題を解決するための手段】上述した従来の技術の課
題に鑑み、本発明は微弱な光を発する光点であっても高
精度で位置計測を可能にする事を目的とする。かかる目
的を達成する為に以下の手段を講じた。即ち本発明にか
かる交点位置計測装置は基本的な構成として、光学的変
換手段と撮像手段と画像処理演算手段とを備えている。
光学的変換手段は被測定物体に含まれる光点から発する
光を集光して互いに交差する複数の線状像に変換する。
撮像手段は線状像を受光して対応する画像データを出力
する。画像処理演算手段は画像データを処理して複数の
線状像から対応する複数の直線を抽出しその交点を演算
して光点の位置を割り出す。かかる構成において、前記
光学的変換手段は複数のシリンドリカルレンズ面を有し
ており、各々の円筒軸は互いに交差して該複数の線状像
を生成する様にした事を特徴とする。例えば、前記光学
的変換手段は一対のシリンドリカルレンズ面を有してお
り、各々の円筒軸は互いに直交して十文字形の線状像を
生成する。一対のシリンドリカル面は1個のレンズに形
成されており、各シリンドリカルレンズ面はレンズの光
軸に関し中心対称的に多分割されている。SUMMARY OF THE INVENTION In view of the above-mentioned problems of the prior art, an object of the present invention is to enable high-accuracy position measurement even at a light spot that emits weak light. The following measures were taken to achieve this purpose. That is, the intersection position measuring device according to the present invention includes an optical conversion unit, an imaging unit, and an image processing operation unit as a basic configuration.
The optical conversion means condenses light emitted from a light spot included in the measured object and converts the light into a plurality of linear images crossing each other.
The imaging means receives the linear image and outputs corresponding image data. The image processing operation means processes the image data, extracts a plurality of corresponding straight lines from the plurality of linear images, calculates an intersection thereof to determine the position of the light spot. In such a configuration, the optical conversion means has a plurality of cylindrical lens surfaces, and each of the cylindrical axes intersects each other to generate the plurality of linear images. For example, the optical conversion means has a pair of cylindrical lens surfaces, and respective cylindrical axes are orthogonal to each other to generate a cross-shaped linear image. The pair of cylindrical surfaces are formed in one lens, and each cylindrical lens surface is divided into multiple parts symmetrically with respect to the optical axis of the lens.
【0006】本発明にかかる光点位置計測方法は変換手
順と撮像手順と算出手順とからなる。変換手順では、互
いに交差する円筒軸を有する複数のシリンドリカルレン
ズ面を備えた光学的変換手段を用いて、被測定物体に含
まれる光点から発する光を集光し、互いに交差する複数
の線状像に変換する。次に撮像手順では、撮像手段を用
いて線状像を受光し対応する画像データを出力する。最
後に算出手順では、画像処理演算手段を用いて画像デー
タを処理し複数の直線を抽出してその交点を演算し前記
光点の位置を割り出す。The light spot position measuring method according to the present invention comprises a conversion procedure, an imaging procedure, and a calculation procedure. In the conversion procedure, light emitted from a light spot included in the object to be measured is condensed using optical conversion means having a plurality of cylindrical lens surfaces having cylindrical axes intersecting each other, and a plurality of linear Convert to image. Next, in the imaging procedure, a linear image is received using the imaging means, and corresponding image data is output. Finally, in the calculation procedure, the image data is processed using the image processing calculation means, a plurality of straight lines are extracted, and their intersections are calculated to determine the position of the light spot.
【0007】[0007]
【作用】本発明によれば、例えば円筒軸が互いに直交し
た一対のシリンドリカルレンズ面を備えたレンズをテレ
ビカメラの対物レンズに付加し、又は対物レンズとして
用い、光学的変換手段を構成している。これにより光点
から発する光を互いに直交する十文字形の線状像に変換
できる。従来のクロスフィルタを用いた変換と異なり直
交シリンドリカルレンズ面を用いた変換では光点から発
する光パワーを周辺に向って均一に分散させる事ができ
るとともに、線状像の輪郭をシャープに形成可能であ
る。相当程度の輝度を有し且つシャープな輪郭を備えた
十文字形の線状像を画像処理する事により、直交直線の
交点をサブピクセルオーダで極めて精密に割り出す事が
できる。従って、光点の発する光パワーが微弱であって
も全光量が有効に利用され、光点位置を非常に高い精度
で安定に計測する事ができる。レーザビームでスポット
走査を行なう三次元物体形状の計測システム等におい
て、測定可能な距離を延長する事ができ、又レーザ走査
の高速化に伴なう感度の低下を補う事が可能となる。According to the present invention, for example, a lens having a pair of cylindrical lens surfaces whose cylindrical axes are orthogonal to each other is added to or used as an objective lens of a television camera to constitute an optical conversion means. . Thereby, the light emitted from the light spot can be converted into a cross-shaped linear image orthogonal to each other. Unlike the conversion using the conventional cross filter, the conversion using the orthogonal cylindrical lens surface makes it possible to uniformly disperse the light power emitted from the light spot toward the periphery and form the outline of the linear image sharply. is there. By performing image processing on a cross-shaped linear image having a considerable luminance and a sharp outline, the intersection of the orthogonal straight lines can be determined very precisely in the order of sub-pixels. Therefore, even if the light power generated by the light spot is weak, the entire amount of light is effectively used, and the position of the light spot can be stably measured with extremely high accuracy. In a three-dimensional object shape measurement system or the like that performs spot scanning with a laser beam, it is possible to extend the measurable distance and to compensate for a decrease in sensitivity due to an increase in the speed of laser scanning.
【0008】[0008]
【実施例】以下図面を参照して本発明の好適な実施例を
詳細に説明する。図1は本発明にかかる光点位置計測装
置の第1実施例を示すブロック図である。本装置はテレ
ビカメラ1とコンピュータ等からなる画像処理演算器2
とを備えている。テレビカメラ1は被測定物体に含まれ
る光点3を撮像する。画像処理演算器2はテレビカメラ
1により得られた撮像を処理し光点位置を表わす情報を
出力する。テレビカメラ1の対物レンズ4にはシリンド
リカルレンズ5が取り付けられており光学的変換手段を
構成する。シリンドリカルレンズ5は複数のシリンドリ
カルレンズ面を有しており各々の円筒軸は互いに交差し
ている。本例ではシリンドリカルレンズ5は一対のシリ
ンドリカルレンズ凹面を有しており、各々の円筒軸は互
いに直交している。対物レンズ4とシリンドリカルレン
ズ5からなる光学的変換手段は、光点3から発する光を
集光して互いに交差する複数の線状像に変換する。本例
では、互いに直交する十文字形の線状像に変換する。テ
レビカメラ1には撮像手段として例えばCCDイメージ
センサ6が組み込まれており、十文字形の線状像7を受
光して対応する画像データを出力する。画像処理演算器
2は画像データを処理して十文字形の線状像7から対応
する一対の直線を抽出し、その交点を演算して光点3の
位置を割り出す。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Preferred embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing a first embodiment of the light spot position measuring device according to the present invention. This apparatus is a television camera 1 and an image processing and arithmetic unit 2 comprising a computer and the like.
And The television camera 1 captures an image of the light spot 3 included in the measured object. The image processing arithmetic unit 2 processes the image captured by the television camera 1 and outputs information indicating the light spot position. The objective lens 4 of the television camera 1 is provided with a cylindrical lens 5 and constitutes an optical conversion means. The cylindrical lens 5 has a plurality of cylindrical lens surfaces, and the respective cylindrical axes intersect each other. In this example, the cylindrical lens 5 has a pair of concave surfaces of the cylindrical lens, and the respective cylindrical axes are orthogonal to each other. The optical conversion means including the objective lens 4 and the cylindrical lens 5 condenses the light emitted from the light spot 3 and converts the light into a plurality of linear images intersecting each other. In this example, the images are converted into cross-shaped linear images that are orthogonal to each other. The television camera 1 incorporates, for example, a CCD image sensor 6 as an image pickup means, receives a cross-shaped linear image 7, and outputs corresponding image data. The image processing calculator 2 processes the image data to extract a pair of corresponding straight lines from the cross-shaped linear image 7, and calculates the intersection to determine the position of the light spot 3.
【0009】図2は、図1に示したシリンドリカルレン
ズ5の具体的な構成例を示す模式的な斜視図である。前
述した様に、シリンドリカルレンズ5は一対のシリンド
リカルレンズ面A,Bを有しており、各々の円筒軸C
A,CBは互いに直交している。円筒軸CA,CBの交
点はレンズ5の中心Oを通る光軸上に位置する。一方の
シリンドリカルレンズ面Aはレンズ5の光軸に関し中心
対称的に2分割されている。他方のシリンドリカルレン
ズ面Bも光軸に関し中心対称的に2分割されている。従
ってシリンドリカルレンズ5は点対称的な表面形状を有
している事になる。FIG. 2 is a schematic perspective view showing a specific configuration example of the cylindrical lens 5 shown in FIG. As described above, the cylindrical lens 5 has the pair of cylindrical lens surfaces A and B, and each of the cylindrical axes C
A and CB are orthogonal to each other. The intersection of the cylindrical axes CA and CB is located on the optical axis passing through the center O of the lens 5. One cylindrical lens surface A is divided into two symmetrically with respect to the optical axis of the lens 5. The other cylindrical lens surface B is also divided into two symmetrically with respect to the optical axis. Therefore, the cylindrical lens 5 has a point-symmetric surface shape.
【0010】図3は、図2に示したシリンドリカルレン
ズ5の端面形状を表わす模式図である。図示する様に、
円筒軸CA方向から観察すると、シリンドリカルレンズ
面Aの凹形状が現われる。又、円筒軸CB方向から観察
するとシリンドリカルレンズ面Bの凹形状が認められ
る。一対の直交シリンドリカルレンズ面A,Bを有する
レンズ5を対物レンズ4(図1)に付加すると、対物レ
ンズ4により焦点を結ぶべき光点3からの光束が、レン
ズ表面の通過領域に応じて2分される。2分された各々
の光束が直交シリンドリカルレンズ面A,Bを通過する
為、十文字形の線状像として結像する事になる。本来点
として結像すべき光束が、シリンドリカルレンズ面の円
筒軸と直交する方向に発散させられるからである。本例
では凹形状のシリンドリカルレンズ面を採用している
が、発散機能という観点からすれば、凸形状のシリンド
リカルレンズ面であっても良い事は勿論である。この様
にシリンドリカルレンズ面を介在させる事で光点3の光
パワーを均一に周辺に向って分散させる事ができるとと
もに、シャープな線状像を生成可能である。特に、図2
に示したシリンドリカルレンズ5は軸対称的な表面形状
を有しており、四方向に向って光パワーを均一に分散で
き、形状的に整った十文字像を得る事ができる。FIG. 3 is a schematic diagram showing an end face shape of the cylindrical lens 5 shown in FIG. As shown
When observed from the direction of the cylindrical axis CA, a concave shape of the cylindrical lens surface A appears. Further, when observed from the direction of the cylindrical axis CB, a concave shape of the cylindrical lens surface B is recognized. When a lens 5 having a pair of orthogonal cylindrical lens surfaces A and B is added to the objective lens 4 (FIG. 1), the light flux from the light spot 3 to be focused by the objective lens 4 is changed according to the passing area of the lens surface. Divided. Since each of the two divided light beams passes through the orthogonal cylindrical lens surfaces A and B, they are formed as a cross-shaped linear image. This is because a light beam to be focused as a point is diverged in a direction orthogonal to the cylindrical axis of the cylindrical lens surface. In this example, a concave cylindrical lens surface is employed, but from the viewpoint of the diverging function, a convex cylindrical lens surface may be used. By interposing the cylindrical lens surface in this manner, the light power of the light spot 3 can be uniformly dispersed toward the periphery, and a sharp linear image can be generated. In particular, FIG.
The cylindrical lens 5 shown in (1) has an axially symmetric surface shape, can uniformly disperse the light power in four directions, and can obtain a cross-shaped image having a well-defined shape.
【0011】図4は、図2に示した多面シリンドリカル
凹レンズ5の製造方法を示す説明図である。(A)に示
す様に、光学ガラスの表面に対して研磨面を備えた回転
ドラムを圧接し回転研磨して一方のシリンドリカル凹レ
ンズ面を形成する。この様にして得られたシリンドリカ
ルレンズ面の円筒軸は回転ドラムの回転軸と一致してい
る。次に(B)に示す様に、光学ガラスの配置を90°
回転した状態で、再び回転ドラムを圧接し他方のシリン
ドリカルレンズ凹面を形成する。なお、本例では研磨方
式により2面4分割のシリンドリカル凹レンズ5を作成
したが、これに代えて射出成形法により作成しても良
い。FIG. 4 is an explanatory view showing a method of manufacturing the polygonal cylindrical concave lens 5 shown in FIG. As shown in (A), a rotary drum provided with a polished surface is pressed against the surface of the optical glass and rotationally polished to form one cylindrical concave lens surface. The cylindrical axis of the cylindrical lens surface thus obtained coincides with the rotation axis of the rotary drum. Next, as shown in FIG.
In the rotating state, the rotating drum is pressed again to form a concave surface of the other cylindrical lens. In this example, the cylindrical concave lens 5 having two surfaces and four divisions is formed by a polishing method, but may be formed by an injection molding method instead.
【0012】次に図5を参照して、画像処理演算手順の
一例を詳細に説明する。(A)に示す様に、CCDイメ
ージセンサに投影された十文字形の線状像7と整合する
様に直交座標系(X,Y)を設定する。次に(B)に示
す様に、X軸方向に投影した十文字形状の面積値を計算
する。この様にして得られたヒストグラムカーブを微分
する。その結果を(C)に示す。微分カーブの極大値及
び極小値に対応するX座標値x1,x2を夫々求める。
このx1,x2により規定されるバンドエリアに含まれ
る画像データを用いて、Y軸方向の線状像を最小二乗法
により直線近似し対応する直線を抽出する。同様な処理
によりX方向に沿った線状像に対応する直線を最小二乗
法により抽出する。一対の直線の交点を演算して光点の
位置を割り出す。Next, an example of an image processing operation procedure will be described in detail with reference to FIG. As shown in (A), an orthogonal coordinate system (X, Y) is set so as to match the cross-shaped linear image 7 projected on the CCD image sensor. Next, as shown in (B), the area value of the cross shape projected in the X-axis direction is calculated. The histogram curve thus obtained is differentiated. The results are shown in (C). X coordinate values x1 and x2 corresponding to the maximum value and the minimum value of the differential curve are obtained, respectively.
Using the image data included in the band area defined by x1 and x2, a linear image in the Y-axis direction is approximated by a straight line using the least squares method, and a corresponding straight line is extracted. By a similar process, a straight line corresponding to a linear image along the X direction is extracted by the least square method. The intersection of a pair of straight lines is calculated to determine the position of the light spot.
【0013】図6は本発明にかかる光点位置計測装置の
第2実施例を示す模式的な斜視図である。光点3とCC
Dイメージセンサ6との間に、凸レンズ40と複合シリ
ンドリカルレンズ50が介在しており光学的変換手段を
構成している。凸レンズ40は図1に示した対物レンズ
4と対応しており、光点3から発した光をCCDイメー
ジセンサ6に集束させる。複合シリンドリカルレンズ5
0は略三角形状のシリンドリカル凸レンズ51及び52
を貼り合わせたものである。一方のシリンドリカル凸レ
ンズ51は垂直方向の円筒軸を有しており、集束光の半
分量を通過させ水平方向に発散する。他方のシリンドリ
カル凸レンズ52は水平方向の円筒軸を有しており、集
束光のうち残りの半分量を垂直方向に発散させる。この
結果CCDイメージセンサ6には十文字形の線状像7が
投影される。本例に用いた複合シリンドリカルレンズ5
0は図2に示した2面4分割シリンドリカル凹レンズ5
の様に点対称ではないが、比較的容易に作成する事が可
能である。FIG. 6 is a schematic perspective view showing a second embodiment of the light spot position measuring device according to the present invention. Light spot 3 and CC
A convex lens 40 and a compound cylindrical lens 50 are interposed between the D image sensor 6 and constitute an optical conversion unit. The convex lens 40 corresponds to the objective lens 4 shown in FIG. 1, and focuses the light emitted from the light spot 3 on the CCD image sensor 6. Compound cylindrical lens 5
0 is a substantially triangular cylindrical convex lens 51 and 52
Are bonded together. One cylindrical convex lens 51 has a vertical cylindrical axis, passes half of the converged light, and diverges in the horizontal direction. The other cylindrical convex lens 52 has a horizontal cylindrical axis, and diverges the remaining half of the focused light in the vertical direction. As a result, a cross-shaped linear image 7 is projected on the CCD image sensor 6. Composite cylindrical lens 5 used in this example
0 denotes a two-sided, four-part cylindrical concave lens 5 shown in FIG.
Although it is not point symmetric as in the above, it can be created relatively easily.
【0014】図7は、図6に示した複合シリンドリカル
レンズ50の作成方法の一例を示す説明図である。本例
では長尺形状のシリンドリカルレンズを先ず円筒軸と垂
直なカットライン53に沿って切断する。切断された一
方をさらに斜行カットライン54に沿って切断し三角形
のシリンドリカルレンズ52及び55を得る。他方につ
いても斜行カットライン56に沿って切断し一対の三角
形状を有するシリンドリカルレンズ51及び57を得
る。この様にして加工された三角形状を有するシリンド
リカルレンズ51,52を切断面を介して接合すると、
図6に示した複合シリンドリカルレンズ50が得られ
る。FIG. 7 is an explanatory diagram showing an example of a method for producing the composite cylindrical lens 50 shown in FIG. In this example, a long cylindrical lens is first cut along a cut line 53 perpendicular to the cylindrical axis. One of the cuts is further cut along the oblique cut line 54 to obtain triangular cylindrical lenses 52 and 55. The other is cut along the oblique cut line 56 to obtain a pair of triangular cylindrical lenses 51 and 57. When the cylindrical lenses 51 and 52 having a triangular shape processed in this manner are joined via a cut surface,
The composite cylindrical lens 50 shown in FIG. 6 is obtained.
【0015】図8は本発明にかかる光点位置計測装置の
第3実施例を示す模式図である。本例では光点3とCC
Dイメージセンサ6との間に2面4分割シリンドリカル
凸レンズ500が介在している。このシリンドリカル凸
レンズ500は対物レンズも兼ねており、単独で光学的
変換手段を構成する。2個のシリンドリカル面を持つレ
ンズを対物レンズとして使用する場合は、各シリンドリ
カル面は凸形状である必要がある。シリンドリカル凸面
の円筒軸に直交する断面は球面凸レンズと同一の機能を
有し、光点3の像はレンズ公式に従って集束する。一方
シリンドリカル凸面の円筒軸に沿った断面は長方形なの
で光点から発した光は集束しない。即ちシリンドリカル
凸レンズは球面凸レンズと組み合わせる事なく単独で光
点を線状像に変換投影する事ができる。各円筒軸が直交
する一対のシリンドリカル凸面を備えた2面4分割シリ
ンドリカル凸レンズ500においては、光軸に沿った光
束が通過領域に応じて2分され、2分された各々の光束
が直交する線状像として結像する事になる。一般に、こ
の様なレンズは表面の分割数と各分割された面に割り付
けるシリンドリカル凸面の数に応じて、任意の方向に沿
った任意の本数の線状像を生成する事が可能である。FIG. 8 is a schematic view showing a third embodiment of the light spot position measuring device according to the present invention. In this example, light spot 3 and CC
A two-surface four-part cylindrical convex lens 500 intervenes with the D image sensor 6. The cylindrical convex lens 500 also serves as an objective lens, and independently constitutes an optical conversion unit. When a lens having two cylindrical surfaces is used as an objective lens, each cylindrical surface needs to be convex. The cross section of the cylindrical convex surface perpendicular to the cylindrical axis has the same function as the spherical convex lens, and the image of the light spot 3 is focused according to the lens formula. On the other hand, since the section of the cylindrical convex surface along the cylindrical axis is rectangular, light emitted from the light spot does not converge. That is, the cylindrical convex lens can convert and project a light spot into a linear image independently without combining with a spherical convex lens. In the two-sided, four-split cylindrical convex lens 500 having a pair of cylindrical convex surfaces whose respective cylindrical axes are perpendicular to each other, the light flux along the optical axis is divided into two in accordance with the passing area, and the two divided light fluxes are orthogonal lines. An image is formed as a shape image. In general, such a lens can generate an arbitrary number of linear images along an arbitrary direction according to the number of surface divisions and the number of cylindrical convex surfaces assigned to each divided surface.
【0016】図9を参照して、図7に示した2面4分割
シリンドリカル凸レンズ500の作成方法の一例を説明
する。本例では金型を用いてシリンドリカル凸レンズを
作成している。金型は図4に示した方法と同様に加工さ
れ、回転ドラムを用いた直交研磨が行なわれる。なお作
成方法はこれに限られるものではなく、直接研磨で2面
4分割シリンドリカル凸レンズを作成しても良い。Referring to FIG. 9, an example of a method for producing the two-surface four-part cylindrical convex lens 500 shown in FIG. 7 will be described. In this example, a cylindrical convex lens is formed using a mold. The mold is processed in the same manner as the method shown in FIG. 4, and orthogonal polishing using a rotating drum is performed. It should be noted that the forming method is not limited to this, and a two-surface four-part cylindrical convex lens may be formed by direct polishing.
【0017】図10は、対物レンズの機能を兼ね備えた
シリンドリカル凸レンズの作用を説明する為の模式図で
ある。シリンドリカル凸レンズ501の円筒軸に直交す
る断面は凸形状を有しており、光点3から発した光束は
レンズ公式に従って集束する。一方シリンドリカル凸レ
ンズ501の円筒軸に沿った断面は長方形なので何等集
束しない。この結果、CCDイメージセンサ6には円筒
軸と平行な線状像701が投影されることになる。FIG. 10 is a schematic diagram for explaining the operation of a cylindrical convex lens having the function of an objective lens. The cross section orthogonal to the cylindrical axis of the cylindrical convex lens 501 has a convex shape, and the light beam emitted from the light spot 3 is focused according to the lens formula. On the other hand, since the cross section of the cylindrical convex lens 501 along the cylindrical axis is rectangular, it does not converge at all. As a result, a linear image 701 parallel to the cylindrical axis is projected on the CCD image sensor 6.
【0018】図11は本発明にかかる光点位置計測装置
の第4実施例を示す模式的なブロック図である。今まで
に説明した第1ないし第3実施例では、直交シリンドリ
カル面が単一のレンズを用いて表面分割的に形成されて
いた。これに対し本例では互いに分離した一対のシリン
ドリカルレンズを用いて十文字形の線状像を合成してい
る。図示する様に、光点3から発した光束はハーフミラ
ーあるいはビームスプリッタ(図示せず)により2光束
に分離される。一方の光路にはシリンドリカルレンズ5
0Aと対物レンズ40Aとからなる光学変換手段が介在
している。シリンドリカルレンズ50Aは垂直な円筒軸
を有しており、CCDイメージセンサ6の表面に水平な
線状像7Aを投影する。他方の光路にはシリンドリカル
レンズ50Bと対物レンズ40Bとからなる光学変換手
段が介在している。シリンドリカルレンズ50Bは水平
な円筒軸を有しておりCCDイメージセンサ6の表面に
垂直な線状像7Bを投影する。互いに直交する線状像7
A,7Bは光学系(図示せず)を介して合成され十文字
形の線状像7が生成される。FIG. 11 is a schematic block diagram showing a fourth embodiment of the light spot position measuring device according to the present invention. In the first to third embodiments described above, the orthogonal cylindrical surface is formed in a surface-divided manner using a single lens. On the other hand, in this example, a cross-shaped linear image is synthesized using a pair of cylindrical lenses separated from each other. As shown, the light beam emitted from the light spot 3 is split into two light beams by a half mirror or a beam splitter (not shown). One optical path has a cylindrical lens 5
There is an optical conversion means including an optical lens 0A and an objective lens 40A. The cylindrical lens 50A has a vertical cylindrical axis, and projects a horizontal linear image 7A on the surface of the CCD image sensor 6. In the other optical path, an optical conversion unit including a cylindrical lens 50B and an objective lens 40B is interposed. The cylindrical lens 50B has a horizontal cylindrical axis, and projects a vertical linear image 7B on the surface of the CCD image sensor 6. Linear images 7 orthogonal to each other
A and 7B are combined via an optical system (not shown) to generate a cross-shaped linear image 7.
【0019】図12は、図11に示したシリンドリカル
レンズ50Aと対物レンズ40Aからなる光学変換手段
の動作説明図である。(A)はシリンドリカルレンズ5
0Aの円筒軸と直交する面に沿った水平幾何光学図であ
り、(B)は同じく円筒軸に平行な面に沿った垂直幾何
光学図である。(A)に示す様に、仮にシリンドリカル
レンズ50Aが介在しない場合には、光点3から光軸に
沿って発した光束は対物レンズ40Aにより集光されC
CDイメージセンサ6の表面にスポット結像する。しか
しながら実際にはシリンドリカルレンズ50Aが介在し
ており凸面に沿って屈折を受けるので入射光束はデフォ
ーカスされ、CCDイメージセンサ6に水平線状像7A
が投影される事になる。一方(B)に示す様にシリンド
リカルレンズ50Aの垂直断面は単純な板状であり何等
屈折作用を奏しない。従って、垂直断面に沿って入射し
た光束は対物レンズ40Aにより一点に集束される。FIG. 12 is a diagram for explaining the operation of the optical conversion means comprising the cylindrical lens 50A and the objective lens 40A shown in FIG. (A) is a cylindrical lens 5
It is a horizontal geometrical optics diagram along a plane orthogonal to the cylinder axis of OA, and (B) is a vertical geometrical optics diagram also along a plane parallel to the cylinder axis. As shown in (A), if the cylindrical lens 50A is not interposed, the light beam emitted from the light spot 3 along the optical axis is condensed by the objective lens 40A, and
A spot image is formed on the surface of the CD image sensor 6. However, actually, since the cylindrical lens 50A is interposed and refracted along the convex surface, the incident light beam is defocused and the horizontal linear image 7A is
Will be projected. On the other hand, as shown in (B), the vertical cross section of the cylindrical lens 50A has a simple plate shape and does not exhibit any refraction. Therefore, the light beam incident along the vertical section is focused at one point by the objective lens 40A.
【0020】[0020]
【発明の効果】以上説明した様に、本発明によれば、少
なくとも2つのシリンドリカル面を持つレンズをテレビ
カメラの対物レンズに付加して、又は対物レンズとして
用いる事により、光点がシャープな十文字形線状像に変
換され、光パワーを均一に周辺に分散する事ができる。
従って、光点の発する光が微弱であっても光を有効に利
用でき、光点位置を非常に高い精度で安定に計測する事
が可能になる。レーザ光でスポット走査を行なう三次元
物体形状計測システム等において、測定可能距離を延長
する事ができ、又レーザ走査の高速化を図る際の感度不
足を補う事が可能になる。As described above, according to the present invention, a lens having a sharp light spot can be obtained by adding a lens having at least two cylindrical surfaces to an objective lens of a television camera or using it as an objective lens. It is converted into a linear image, and the optical power can be uniformly distributed to the periphery.
Therefore, even if the light emitted from the light spot is weak, the light can be effectively used, and the position of the light spot can be stably measured with extremely high accuracy. In a three-dimensional object shape measurement system or the like that performs spot scanning with laser light, the measurable distance can be extended, and a lack of sensitivity when speeding up laser scanning can be compensated.
【図1】本発明にかかる光点位置計測装置の第1実施例
を示すブロック図である。FIG. 1 is a block diagram showing a first embodiment of a light spot position measuring device according to the present invention.
【図2】第1実施例に含まれる2面4分割シリンドリカ
ル凹レンズの斜視図である。FIG. 2 is a perspective view of a two-sided, four-part cylindrical concave lens included in the first embodiment.
【図3】同じく2面4分割シリンドリカル凹レンズの端
面形状を示す模式図である。FIG. 3 is a schematic diagram showing an end surface shape of a two-surface four-part cylindrical concave lens.
【図4】同じく2面4分割シリンドリカル凹レンズの製
造方法を示す工程図である。FIG. 4 is a process drawing showing a method for manufacturing a two-sided four-part cylindrical concave lens.
【図5】図1に示した画像処理演算器の処理手順を示す
説明図である。FIG. 5 is an explanatory diagram illustrating a processing procedure of the image processing arithmetic unit illustrated in FIG. 1;
【図6】本発明にかかる光点位置計測装置の第2実施例
を示す模式的な斜視図である。FIG. 6 is a schematic perspective view showing a second embodiment of the light spot position measuring device according to the present invention.
【図7】第2実施例に含まれる複合シリンドリカルレン
ズの作成方法を示す説明図である。FIG. 7 is an explanatory diagram showing a method for producing a composite cylindrical lens included in Example 2.
【図8】本発明にかかる光点位置計測装置の第3実施例
を示す模式的な斜視図である。FIG. 8 is a schematic perspective view showing a third embodiment of the light spot position measuring device according to the present invention.
【図9】第3実施例に含まれる2面4分割シリンドリカ
ル凸レンズの製造方法を示す説明図である。FIG. 9 is an explanatory view showing a method for manufacturing a two-sided, four-part cylindrical convex lens included in the third example.
【図10】シリンドリカル凸レンズの動作説明図であ
る。FIG. 10 is a diagram illustrating the operation of a cylindrical convex lens.
【図11】本発明にかかる光点位置計測装置の第4実施
例を示す模式的な斜視図である。FIG. 11 is a schematic perspective view showing a fourth embodiment of the light spot position measuring device according to the present invention.
【図12】第4実施例に含まれるシリンドリカル凸レン
ズの作用説明図である。FIG. 12 is an operation explanatory view of the cylindrical convex lens included in the fourth example.
1 テレビカメラ 2 画像処理演算器 3 光点 4 対物レンズ 5 シリンドリカルレンズ 6 CCDイメージセンサ 7 十文字形線状像 Reference Signs List 1 TV camera 2 Image processing calculator 3 Light spot 4 Objective lens 5 Cylindrical lens 6 CCD image sensor 7 Cross-shaped linear image
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭55−74403(JP,A) 特開 昭61−163100(JP,A) 特開 平4−225106(JP,A) 特開 昭61−289785(JP,A) 特開 昭60−113333(JP,A) 特開 平4−301535(JP,A) 特開 平5−60518(JP,A) 特公 平3−31362(JP,B2) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01B 11/00 - 11/30 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-55-74403 (JP, A) JP-A-61-163100 (JP, A) JP-A-4-225106 (JP, A) JP-A-61-163 289785 (JP, A) JP-A-60-113333 (JP, A) JP-A-4-301535 (JP, A) JP-A-5-60518 (JP, A) JP-B-3-31362 (JP, B2) (58) Field surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) G01B 11/00-11/30
Claims (5)
を集光して互いに交差する複数の線状像に変換する光学
的変換手段と、該線状像を受光して対応する画像データ
を出力する撮像手段と、該画像データを処理して複数の
線状像から対応する複数の直線を抽出しその交点を演算
して前記光点の位置を割り出す画像処理演算手段とを備
えた光点位置計測装置において、 前記光学的変換手段は複数のシリンドリカルレンズ面を
有しており、各々の円筒軸は互いに交差して該複数の線
状像を生成する様にした事を特徴とする光点位置計測装
置。1. An optical conversion means for condensing light emitted from a light spot included in an object to be measured and converting the light into a plurality of linear images intersecting with each other, and receiving the linear images and corresponding image data An image processing means for processing the image data, extracting a plurality of corresponding straight lines from a plurality of linear images, calculating an intersection thereof to determine the position of the light spot, In the point position measuring device, the optical conversion means has a plurality of cylindrical lens surfaces, and each of the cylindrical axes intersects each other to generate the plurality of linear images. Point position measurement device.
カルレンズ面を有しており、各々の円筒軸は互いに直交
して十文字形の線状像を生成する事を特徴とする請求項
1記載の光点位置計測装置。2. The apparatus according to claim 1, wherein said optical conversion means has a pair of cylindrical lens surfaces, and respective cylindrical axes are orthogonal to each other to generate a cross-shaped linear image. Light spot position measuring device.
レンズに形成されており、各シリンドリカルレンズ面は
レンズの光軸に関し中心対称的に多分割されている事を
特徴とする請求項2記載の光点位置計測装置。3. The lens system according to claim 2, wherein the pair of cylindrical lens surfaces are formed in one lens, and each of the cylindrical lens surfaces is divided into multiple parts symmetrically with respect to the optical axis of the lens. Light spot position measuring device.
リンドリカルレンズ面を備えた光学的変換手段を用い
て、被測定物体に含まれる光点から発する光を集光し、
互いに交差する複数の線状像に変換する変換手順と、撮
像手段を用いて該線状像を受光し対応する画像データを
出力する撮像手順と、画像処理演算手段を用いて該画像
データを処理し複数の直線を抽出してその交点を演算し
前記光点の位置を割り出す算出手順とを行なう光点位置
計測方法。4. An optical conversion means having a plurality of cylindrical lens surfaces having cylindrical axes intersecting each other, condensing light emitted from a light spot included in an object to be measured,
A conversion procedure for converting into a plurality of linear images that intersect each other, an imaging procedure for receiving the linear image using an imaging unit and outputting corresponding image data, and processing the image data using an image processing operation unit A light spot position measuring method for extracting a plurality of straight lines, calculating an intersection thereof, and calculating a position of the light spot.
を有する一対のシリンドリカルレンズ面を介して十文字
形の線状像を生成する手順である請求項4記載の光点位
置計測方法。5. The light spot position measuring method according to claim 4, wherein the conversion step is a step of generating a cross-shaped linear image via a pair of cylindrical lens surfaces having cylindrical axes orthogonal to each other.
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